地表注漿在超淺埋隧道工程中的應(yīng)用研究

史作璟，翁承顯

(林同棪國(guó)際工程咨詢(中國(guó))有限公司，重慶　401121)

地表注漿在超淺埋隧道工程中的應(yīng)用研究

史作璟，翁承顯

(林同棪國(guó)際工程咨詢(中國(guó))有限公司，重慶401121)

摘要：火鳳山隧道為城市公路隧道，根據(jù)其進(jìn)口段超淺埋回填土地質(zhì)條件實(shí)際情況，設(shè)計(jì)中采用地表注漿預(yù)處理措施，以及早進(jìn)洞施工，達(dá)到改善圍巖強(qiáng)度，保證隧道施工安全的目的。運(yùn)用大型有限元軟件MIDAS GTS對(duì)地表注漿效果進(jìn)行數(shù)值模擬分析，并提出地表注漿效果評(píng)定方法。數(shù)值模擬及實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明：地表注漿預(yù)處理后，圍巖強(qiáng)度及完整性得到很大提高，隧道開挖后變形速率及最終變形值均較小，初期支護(hù)受力改善明顯。由此可知，地表注漿預(yù)處理可有效保證隧道施工安全及質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：隧道；地表注漿；效果；檢測(cè)

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，城市隧道與地鐵建設(shè)興起，隧道工程越來越多，地質(zhì)條件也越來越復(fù)雜。隧道工程在超淺埋回填土地質(zhì)施工時(shí)，極易造成冒頂式塌方，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工人員人生安全造成極大安全隱患[1]。因此，超淺埋回填土地質(zhì)處理措施研究便成為業(yè)界急需解決的重大課題。

隨著我國(guó)基礎(chǔ)工程建設(shè)項(xiàng)目增多，地表注漿預(yù)處理措施已在土木工程領(lǐng)域得到了眾多應(yīng)用。隧道工程中，地表注漿預(yù)處理主要針對(duì)圍巖地質(zhì)條件差、淺埋偏壓、進(jìn)洞等隧道工程實(shí)踐，但由于注漿工程的隱蔽性，一直未能形成一套完整的檢測(cè)體系，從而對(duì)工程建設(shè)造成了一定的安全隱患和經(jīng)濟(jì)損失[2]。本文以重慶市火鳳山隧道進(jìn)洞口超淺埋回填土地質(zhì)下穿高速公路為工程實(shí)例，通過數(shù)值模擬及實(shí)際監(jiān)測(cè)，詳細(xì)分析該隧道地表注漿加固措施，對(duì)類似工程具有一定的借鑒作用。

1工程概況

火鳳山隧道位于重慶市北部新區(qū)人和組團(tuán)，全長(zhǎng)約1.65 km，包含各長(zhǎng)725 m的左右線主隧道，以及205 m 長(zhǎng)C匝道。隧道進(jìn)洞口位于內(nèi)環(huán)高速公路路基邊坡處，埋深最淺處覆土厚5.6 m，為超淺埋隧道，且線路基本垂直于高速公路進(jìn)洞。高速公路路基邊坡坡向84°，地形坡角23°～28°。根據(jù)地質(zhì)勘查資料，火鳳山隧道進(jìn)洞口處地層主要為第4系人工填土、粉質(zhì)粘土，土層厚6～10 m，其中粉質(zhì)粘土厚1～2.3 m，下伏基巖為泥巖，強(qiáng)風(fēng)化帶厚1～1.6 m，巖土界面傾向與斜坡傾向一致，巖土界面傾角10°～20°。隧道進(jìn)洞口平面和縱斷面如圖1所示。

圖1　隧道進(jìn)洞口平面和縱斷面示意

2地表注漿方案

火鳳山隧道為超淺埋隧道，且進(jìn)洞口段隧道拱頂圍巖為回填土地質(zhì)，圍巖自身承載能力差，上方又為高速公路填土路基，下部泥巖風(fēng)化裂隙發(fā)育。因此，為控制高速公路地表沉降，保證施工安全，設(shè)計(jì)采用了地表注漿加固措施，以改善圍巖物理力學(xué)性能，提高圍巖的自穩(wěn)性，縮小圍巖松弛區(qū)范圍，減小圍巖對(duì)初期支護(hù)的壓力[3]。

2.1地表注漿范圍

長(zhǎng)度：隧道開挖影響范圍按45°角向地面擴(kuò)散，沿隧道縱向取第3條快速路邊線向外擴(kuò)大15 m計(jì)，注漿范圍沿隧道縱向長(zhǎng)度約80 m。

寬度：隧道開挖影響范圍按45°角向地面擴(kuò)散，沿隧道兩側(cè)開挖邊線向外擴(kuò)大15 m計(jì)，注漿范圍沿隧道橫向?qū)挾燃s80 m。

深度：注漿孔深度以深入基巖0.3 m和超前管棚支護(hù)外邊線以上0.5 m兩項(xiàng)進(jìn)行控制，地表注漿范圍橫斷面如圖2所示。

2.2注漿孔布設(shè)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試注漿及經(jīng)驗(yàn)，注漿孔擴(kuò)散半徑取0.96 m，注漿孔布置如圖3所示。

2.3注漿材料及壓力

注漿材料采用水泥-水玻璃雙液漿和水泥單液漿2種。注漿區(qū)域外圍設(shè)2排水泥-水玻璃雙液漿注漿孔。注漿材料中，水泥與水玻璃體積比取1∶0.5，水玻璃濃度為35Be’，水泥采用425號(hào)普通硅酸鹽水泥，水泥漿水灰比為1∶1，漿壓0.5～1 MPa，穩(wěn)壓5min。注漿區(qū)域內(nèi)部設(shè)單液漿注漿孔，注漿材料采用水泥漿，425號(hào)水泥漿水灰比為1∶0.8，漿壓0.2～0.5 MPa，穩(wěn)壓20 min。

圖2　地表注漿橫斷面示意

圖3　地表注漿孔布設(shè)

為保證不跑漿，總體施工順序?yàn)橄冗M(jìn)行洞頂管棚及注漿區(qū)域外圍雙液漿注漿施工，然后完成注漿區(qū)域內(nèi)部單液漿施工[4]。

3數(shù)值模擬分析

3.1數(shù)值模擬模型

本次數(shù)值模擬分析采用MIDAS GTS大型通用有限元軟件建立地層結(jié)構(gòu)法計(jì)算模型。模型中，采用平面實(shí)體單元模擬圍巖及地表注漿范圍；錨桿采用全長(zhǎng)粘結(jié)式桿材料模擬，為植入式桁架單元；噴射混凝土及拱架采用全長(zhǎng)粘結(jié)式直梁材料模擬(其彈性模量取噴射混凝土彈性模量的1.2倍作為綜合模量進(jìn)行模擬計(jì)算)。

考慮到本次模擬分析注重分析地表注漿效果，因此模擬分析采用全斷面開挖工法進(jìn)行模擬計(jì)算。分析過程分如下3步：1) 計(jì)算模型的初始地應(yīng)力，并進(jìn)行初始變形清零；2) 全斷面開挖(洞周圍巖釋放40%地應(yīng)力)；3) 模擬初期支護(hù)結(jié)構(gòu)(洞周圍巖釋放60%地應(yīng)力)。數(shù)值模擬過程中，主要通過改變注漿范圍圍巖材料參數(shù)來進(jìn)行地表注漿施工模擬[5]。

本次模擬分析采用平面計(jì)算模型，模型左右水平計(jì)算范圍均取隧道跨度的3倍，垂直計(jì)算范圍向上取至自由地表，向下取隧道高度的3倍，模型尺寸為90 m×46 m，如圖4所示。

圖4　數(shù)值分析模型

3.2材料參數(shù)

根據(jù)地質(zhì)勘察資料，本次模擬所采用的材料物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。由于本次模擬僅對(duì)注漿效果進(jìn)行分析，故注漿體材料物理力學(xué)參數(shù)僅為經(jīng)驗(yàn)值。

表1　材料物理力學(xué)參數(shù)

3.3計(jì)算結(jié)果分析

從經(jīng)驗(yàn)看，火鳳山隧道拱頂為回填土，自穩(wěn)能力較差，隧道開挖后地層“成拱”效應(yīng)較弱，使得隧道變形較大。因此，很有必要對(duì)注漿前后地層應(yīng)力及隧道受力、變形進(jìn)行相應(yīng)分析。注漿前后圍巖地層應(yīng)力、隧道拱頂沉降及錨桿軸力如圖5～7所示。

從圖5可以看出，隧道開挖致使地層地應(yīng)力重新分布，地表未注漿時(shí)，地層主應(yīng)力3.47 kN/m2；采用地表注漿施工后，地層主應(yīng)力減小為2.01 kN/m2，減小幅度達(dá)到40%，可見地表注漿措施對(duì)地層巖性進(jìn)行了很好的改善，使得隧道整體所受荷載明顯減小。從圖6可以看出，地表注漿前后隧道拱頂沉降由12.0 mm減小為9.5 mm，減小幅度為21%，可見地表注漿措施改善了圍巖的“成拱”效應(yīng)，減小了隧道開挖變形。從圖7可以看出，地表注漿前后錨桿軸力由5.0 kN增加到5.5 kN，雖然增加幅度僅為10%，但可以看出，地表注漿后，圍巖的地層巖性得到了改善，錨桿拉拔力得到了提高，從而使得初期支護(hù)整體受力特征得到了很好的改善。

圖5　注漿前后圍巖地層應(yīng)力

圖6　注漿前后隧道拱頂沉降

圖7　注漿前后錨桿軸力

4地表注漿效果評(píng)定

按照簡(jiǎn)便快捷、經(jīng)濟(jì)適用的原則，并考慮到工程實(shí)際情況，火鳳山隧道地表注漿效果主要采用復(fù)注法及漿液填充率反算法進(jìn)行評(píng)定。另外，為了驗(yàn)證注漿效果，還對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析[6]。

4.1復(fù)注法(結(jié)合鉆孔取芯)

復(fù)注法是每次注漿完成后在注漿區(qū)域重新鉆孔注漿，通過前后2次注漿量的比較來判定注漿效果。注漿完成后即可實(shí)施復(fù)注法。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地表注漿施工組織安排，火鳳山隧道地表注漿復(fù)注法檢測(cè)共鉆取9個(gè)孔(按2%進(jìn)行鉆孔復(fù)注)進(jìn)行復(fù)注。其中，C匝道上部路基鉆孔2個(gè)，鉆孔深度6.0 m；左隧道上部路基鉆孔3個(gè)，鉆孔深度9.5 m；右隧道上部路基鉆孔4個(gè)，鉆孔深度12.4 m?？孜辉谧{孔中間隨機(jī)抽測(cè)，孔位布置在下穿隧道拱頂及拱腰位置[7]?；瘌P山隧道地表注漿復(fù)注量統(tǒng)計(jì)見表2。

表2　火鳳山隧道地表注漿復(fù)注量統(tǒng)計(jì)

從表2數(shù)據(jù)可以看出，注漿區(qū)域復(fù)注百分率為15.8%～19.5%，平均復(fù)注百分率為18.0%，說明地表注漿效果較好，圍巖特征可以得到很好改善。

另外，受回填土地質(zhì)所限，鉆孔時(shí)不能取出完整芯樣進(jìn)行抗壓試驗(yàn)，但通過對(duì)取出的芯樣進(jìn)行觀察，可宏觀了解漿液擴(kuò)散深度和在填筑體中的填充情況。鉆孔芯樣如圖8所示。從圖8可以看出，鉆孔的中下部及底部已經(jīng)都擴(kuò)散有漿液，漿液已經(jīng)貫穿于整個(gè)回填土地層。

圖8　鉆孔芯樣

4.2漿液填充率反算法

漿液填充率反算法是通過統(tǒng)計(jì)總注漿量來反算出漿液填充率，并根據(jù)漿液填充率評(píng)定注漿效果[8]。漿液填充率反算公式如下：

∑Q=Vnα(1+β)

式中：∑Q為總注漿量，m3；V為加固體體積，m3； n為地層孔隙率或裂縫度；α為漿液填充率；β為漿液損失率。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，火鳳山隧道下穿內(nèi)環(huán)高速公路段總注漿量為1 133.4 m3，平均深度為7.1 m，注漿土體總體積為7 466.7 m3。由于注漿區(qū)域底部及四周均已封閉，注漿漿液無損失，故β取0。根據(jù)CJJ 1—2008《城鎮(zhèn)道路工程施工與質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》并參考相關(guān)資料，考慮到該內(nèi)環(huán)高速公路已經(jīng)運(yùn)行多年，壓實(shí)度系數(shù)≥95%，最大孔隙率n取20%。漿液填充率反算結(jié)果見表3。

表3　火鳳山隧道地表注漿漿液填充率反算統(tǒng)計(jì)

4.3監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

為保證施工安全，分析地表注漿效果，在火鳳山隧道施工現(xiàn)場(chǎng)選取了典型斷面進(jìn)行拱頂下沉及水平收斂監(jiān)控量測(cè)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)斷面布置如圖9所示。拱頂下沉及水平受力隨時(shí)間變化曲線如圖10、圖11所示。

圖9　檢測(cè)點(diǎn)布置斷面

圖10　拱頂下沉隨時(shí)間變化曲線

從圖10、圖11可以看出，隧道開挖后拱頂下沉及水平收斂變形速度均較快，且特征類似，開挖后10 d左右便可完成總收斂變形的75%，最終穩(wěn)定拱頂下沉值及水平收斂值均較小。由此可知，地表注漿對(duì)隧道圍巖穩(wěn)定，保證施工安全方面效果明顯。

圖11　水平收斂隨時(shí)間變化曲線

5結(jié)論

1) 本文基于火鳳山隧道進(jìn)洞口超淺埋、回填土地質(zhì)下穿高速公路路基的工程實(shí)際，提出了地表注漿預(yù)處理措施及地表注漿效果評(píng)定方法，其對(duì)于保證隧道施工安全，控制高速公路地表沉降具有重要作用。

2) 數(shù)值模擬分析表明，地表注漿實(shí)施后，地層應(yīng)力得到了很好的改善，地層主應(yīng)力減小幅度達(dá)到40%。另外，圍巖“成拱”效應(yīng)也得到了加強(qiáng)，不僅減小了隧道開挖變形，而且使隧道支護(hù)體系整體受力特征也得到了很好改善。

3) 地表注漿效果評(píng)定分析表明，注漿區(qū)域平均復(fù)注率為18%，漿液填充率為75.9%。通過現(xiàn)場(chǎng)鉆孔觀察可知，鉆孔中下部及底部均已擴(kuò)散有漿液，且漿液已經(jīng)貫穿于整個(gè)回填土地層，說明地表注漿效果較好，圍巖完整性得到了很好改善。

4) 監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)表明，隧道開挖后，最終穩(wěn)定拱頂下沉值及水平收斂值均較小，地表注漿對(duì)隧道圍巖穩(wěn)定，保證施工安全方面效果明顯。

參 考 文 獻(xiàn)

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Research on Application of Surface Grouting in Super-shallow Embedded Tunnels

SHI Zuojing, WENG Chengxian

Abstract:Huofengshan Tunnel is an urban highway tunnel and surface grouting pretreatment measure in design, as well as early-stage in-tunnel construction, are adopted according to the geological conditions of super-shallow embedded backfilling soil at the inlet section for the purposes of improving wall-rock strength and guaranteeing safety in tunnel construction. This paper carries out numerical simulation analysis for the surface grouting effect by means of large-scale finite element software MIDAS GTS, and proposes the evaluation methods for the surface grouting effect. Numerical simulation and actual monitoring data show that after surface grouting pretreatment, wall-rock strength and integrity are greatly improved. After excavation of tunnel, deformation rate and final deformation value are both small and stress on initial support is improved remarkably. It is suggested that surface grouting pretreatment can guarantee construction safety and quality of tunnels.

Keywords:tunnel; surface grouting; effect; detection

DOI:10.13607/j.cnki.gljt.2016.03.023

收稿日期：2015-12-23

作者簡(jiǎn)介：史作璟(1982-)，男，山西省祁縣人，碩士，工程師。

文章編號(hào)：1009-6477(2016)03-0102-06中圖分類號(hào)：U459.2

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A